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大學物理實驗教學體系探究的論文
物理學是一門以實驗為基礎的學科，在學生科學素質、能力的培養(yǎng)中發(fā)揮著非常重要的作用。大學物理實驗反映了理工科中實驗思想、實驗方法以及基本原理與實踐工程相聯(lián)系的普遍性問題，在人才培養(yǎng)中有不可替代的地位。同時，大學物理實驗作為大學生必修的第一門科學實驗課程，能夠讓學生受到嚴格系統(tǒng)的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，更重要的是在實驗過程中，鍛煉學生理論聯(lián)系實際、用現(xiàn)有知識分析和解決實際問題的能力，以此來培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維能力和創(chuàng)新精神。
1背景和現(xiàn)狀
教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會頒布的《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》中明確提出了在實驗課程中學生能力主要包括四種能力的培養(yǎng)要求：獨立實驗的能力、分析與研究的能力、理論聯(lián)系實際的能力以及創(chuàng)新能力。所以，大學物理實驗課程不能成為學生僅動手就能機械完成的手工課，而應在實驗中，充分調動學生的大腦，引導學生積極思考，建立實驗思維。長期以來，各高校大學物理實驗課程不斷進行了各種教學改革的嘗試，諸如MOOC、翻轉課堂、混合式教學、分層次教學等，都取得了顯著的成效。但是，大學物理實驗課程的教學中還存在著很多短期內難以解決的問題。首先，教學理念陳舊。教師往往局限于傳統(tǒng)的教師主體，在實驗課上，講得多，講得細；他們認為只有教師講到的內容，學生才能在實驗中注意到，學生才能掌握，而沒有注重課堂效率。
同時，實驗課程的教學模式單一，教師單向輸出。傳統(tǒng)課堂中，僅突出了教師的中心地位，忽略了學生的主觀能動性，壓抑了學生創(chuàng)新思維和能力的發(fā)展；這就出現(xiàn)了實驗課上教師講得多，學生動得少。其次，實驗內容單調。由于各高校實驗設備有限，實驗項目相對比較單一，多為驗證性實驗，缺乏創(chuàng)新性實驗項目和前沿方向的實驗項目，實驗項目與理論課程脫節(jié)嚴重；實驗教材編寫的內容過于細致，僅局限于一個實驗上，缺乏實驗間、學科之間的聯(lián)系。最后，學生主動性差。教師往往低估學生的能力，唯恐學生不能完成實驗，教師講解得過細，甚至于手把手地講授實驗操作，而忽視了學生獨立思考及動腦分析研究的重要性，沒有充分調動學生的積極性。
2教學理念的改變
實驗課程不同于理論課程，實驗課程更多的是動腦動手，熟悉基本的儀器操作和實驗方法。學生只有在真正地動腦理解實驗原理、實驗方法后，才能指導自己動手。這就需要我們在實驗課堂上轉變教學理念。（1）突出強化學生主體地位，是學生做實驗，而不是教師講實驗。充分利用翻轉課堂的優(yōu)勢，將學習資源提供給學生，學生根據(jù)各自的學習進度安排自己的學習。特別是在實驗課上，學生可以根據(jù)自己實驗進程，多次重復查閱各種學習資源以達到獨立實驗的目的。
�。�2）學生是課堂的主人，將課堂時間還給學生。教師應該根據(jù)不同學生的特點建立學生的期望值。對于大多數(shù)學生來說，他們完全能夠通過自己的學習完成實驗內容，所以，教師應當放手學生獨立完成實驗。教師把原來的講課轉變?yōu)榕c學生一對一的交流指導，同時通過實驗室內的巡視，激發(fā)并監(jiān)督學生的學習，保持學生持續(xù)參與在實驗課堂中。利用鼓勵性的語言，激發(fā)學生的自我效能感，由學生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，在“做中學”，建構物理實驗的基本實驗方法。
3教學體系
�。�1）實驗項目的規(guī)劃重整。為了增強學生的有效性學習，首先，我們對實驗項目進行了整合，根據(jù)實驗內容或實驗原理等將某個關鍵因素相同或相似的項目整合在一起，在一次實驗課上完成。比如邁克爾遜干涉儀的調節(jié)與使用、干涉法測量線脹系數(shù)兩個實驗整合在一起，學生在掌握邁克爾遜干涉儀的使用后，就能將實驗原理或操作方法快速遷移到線脹系數(shù)的測量上來，相對降低了第二個實驗的難度，提高了學習的效率，達到了有效學習的目的。類似的整合項目還有：二蹤示波器的使用和光纖通訊實驗；動態(tài)法和靜態(tài)法測楊氏模量等。其次，根據(jù)實驗內容的改變，我們重新編寫了一套集視頻微課、仿真動畫的多維度立體化教材。最后，為了適應實驗項目整合學生的學習狀態(tài)，我們將單次實驗上課的時間由每次3學時增加為每次5學時，給學生充分的時間去動手動腦進行實驗，培養(yǎng)實驗分析、發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。
�。�2）信息化資源的建設。傳統(tǒng)實驗課程的教學中，學生要對教材進行課前預習，但是書本上的文字、圖片對于形象具體的實驗內容來說非�？菰�，很多學生為了完成預習任務機械性地抄寫教材，由于看不到實際的實驗儀器和實驗現(xiàn)象，預習的效果也就非常差了。隨著信息化網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，幾乎每個學生都有智能手機，這也就為實驗課程的信息化、網(wǎng)絡化提供了發(fā)揮的空間。并且視頻、圖片或仿真軟件等多媒體信息化素材相對于文字素材來說，能夠給學習者提供更高的學習效率。為了更好地完成實踐類課程的預習，我們需要將實驗課程中所需要的所有內容進行信息化建設，包括視頻、仿真軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和實驗教材等。然后，我們將這些多媒體信息化素材通過二維碼與教材、實驗室進行有機的結合，學生在閱讀教材、實驗操作等過程中，如果碰到問題，就可以掃描對應該處的二維碼，直接鏈接到我們服務器上的多媒體信息素材，觀看教師的講解視頻、操作仿真軟件來進行釋疑解惑。這樣做的目的，就是為了降低學生的使用障礙，與我們的教學結合起來，真正地發(fā)揮了信息化的優(yōu)勢。
（3）實驗室環(huán)境的重新布局。為了提高實驗儀器的使用率，提高學生的有效學習，建立豐富的實驗室文化，我們對傳統(tǒng)實驗課堂進行了大的改變，將只有1~2個實驗項目的傳統(tǒng)實驗室改造成為具有10~12個實驗項目的“實驗超市”。并且，“實驗超市”內提供無線網(wǎng)絡。學生可以在實驗室內看到該學期內所有用到的實驗儀器，學生可以在第一次實驗課上可以根據(jù)興趣、專業(yè)特點等自主選擇8~10個實驗項目，滿足各類學生的個性化學習。同時，在實驗過程中，學生可以建立起各實驗項目之間的關聯(lián)，觸類旁通，充分地理解實驗內容。
4教學實踐
4.1課前預習。
為了保證學生能夠獨立完成實驗，培養(yǎng)獨立實驗能力，使學生成為課堂的主人，我們將幾乎所有的課堂時間還給學生，課堂上教師不再進行集中授課，只進行單獨指導交流。這樣就對學生的課前預習提出了更高的要求，學生要在課前完成教師指定的預習任務。預習任務主要由紙質預習報告、網(wǎng)絡在線課堂兩部分組成。學生需要在課前觀看網(wǎng)絡微課視頻、回答網(wǎng)絡預習測試題、完成紙質預習報告，在實驗室內教師要對學生的預習情況進行檢查。
4.2翻轉實驗課堂。
學生根據(jù)教師安排組合2~3人組成一個學習共同體，在實驗課中圍繞實驗內容進行同步學習。教師在實驗課上鼓勵學生積極討論，學生可以在共同體內進行無障礙的交流溝通，極大地提升了學生主體的自我效能感，建立了強烈的共同參與感，促進了主動性的有效學習。
�。�1）課內預習。在實驗課前10%的時間里，我們要求學生進行二次預習，對照實物將實驗原理、內容等進行學習，也可以根據(jù)自己預習的情況，將不懂的問題進行生生或師生的討論。同時，教師進行根據(jù)討論的情況對學生的預習情況進行檢查，適時地提出一些小問題，根據(jù)學生回答討論的情況進行預習的評價。這樣，學生就可以根據(jù)預習和討論對實驗有了整體的把握，逐步把頭腦中理論化的物理原理與現(xiàn)實中的實驗儀器、內容進行聯(lián)系，從而培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力。
（2）互助交流。學生在完成實驗的準備后，獨立完成實驗，對于簡單的問題，教師不再進行回答指導，而是鼓勵組內、組外學生的互助討論，通過分析研究討論出解決問題的辦法。這時，有的學生則喜歡自己解決問題，他們會翻出教材或者打開視頻，重復觀看，尋找問題的關鍵。有的學生則喜歡討論，聽取他人的分析或者經(jīng)驗，快速找到辦法。有的學生則喜歡延伸思考，找出背后的原理，與教師進行討論，從根本上理解原理，再來解決問題。事實證明，不管通過什么方式，絕大多數(shù)學生都能找到答案，雖然比較耗費時間，但是學生學習的效果卻比教師的直接講授好很多。通過對實驗的操作學生對基本實驗方法有了不斷的了解、積累和熟練，使得學生逐步形成了借助獨立思考以及科學方法獲得知識的心理暗示，學生就能以更快捷高效的方法進行實驗，提高自身的能力。通過期末的匿名問卷調查可以看出，百分之百的學生都喜歡這種上課方式，他們體會到了努力后收獲成功的喜悅，也建立了自信心，他們認為這才是真正的實驗課。
4.3學習的過程性評價。
在這種教學模式下，學生的評價往往較難。我們采用過程性評價，著眼于學生能力的培養(yǎng)，而不是實驗內容完成的快慢。通過網(wǎng)絡平臺、課堂預習效果、能力展現(xiàn)等幾個方面對學生進行評價。在實際課堂中，我們也發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)課堂中出現(xiàn)的問題。例如，學生在實驗過程中完成實驗的程度具有較大的差異性。有部分學生通過課前充分的預習，積極動腦思考，能夠充分理解實驗原理，又快又好地完成實驗內容。有的學生對于原理理解不夠，動手能力較差，實驗內容進行非常緩慢或者根本完不成要求的內容。這時，我們嘗試采用了學生助教這種方法，讓學有余力的同學去幫助后進同學。在實踐中發(fā)現(xiàn)，對于助教學生來說，教師和同學對他的認可，使得他們的自信心得到了極大提高，不用教師的激勵，他們就非常積極地指導幫助其他同學；對于普通學生來說，生生之間的交流幫助比師生交流更加順暢，在自我效能的驅使下，普通學生也在認真積極地思考，努力完成實驗。根據(jù)美國學者艾德格戴爾提出的學習金字塔的理論，學生的動手實驗、討論，以及學生助教的教授都達到了主動學習的效果，學習內容的平均留存率相對于傳統(tǒng)課堂有了極大的提升。對于助教學生來說，實驗課堂完全是他們發(fā)揮聰明才智的園地。
5結論
經(jīng)過2年多的教學試點，這種新形態(tài)的教學體系得到了校內外專家、教師和學生的認可。學生在該教學體系中，始終處于主體地位，教師在交流、監(jiān)督中對學生的學習起到了有效的指導作用，學生各方面的能力也得到了鍛煉。在調研中，學生紛紛表示，通過一個學期的實驗課的學習，都有很大的收獲。我們認為這種方式克服了傳統(tǒng)實驗課堂的弊端，大大提高了實驗課程的教學效果，可以在各類實驗實踐類課程中推廣。
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